Khi quang hợp xuất hiện và phát triển, sinh vật prokaryote, trong đó vi khuẩn lam (Cyanobacteria) được coi là chủ đạo, thực hiện quang hợp đã cho ra O2 như một sản phẩm thải. Quá trình này đã diễn ra rất lâu trước khi oxy có thể tồn tại tự do trong khí quyển, có lẽ sớm nhất là 3,5 Ga trước đây [3]. Ban đầu oxy sản xuất ra tan trong nước biển và bị loại bỏ nhanh chóng bởi các khoáng chất khử oxy, đặc biệt là sắt. Nó dẫn đến "rỉ sắt hàng loạt", lắng đọng dưới đáy đại dương, hình thành các thành hệ chứa khoáng vật sắt dạng dải.

Quá trình như vậy diễn ra trong quãng thời gian dài cỡ 0,6 đến 1 Ga, đến khi chất khử oxy hết thì oxy tự do bắt đầu tồn tại trong môi trường. Oxy hóa khí quyển diễn ra, như đốt carbide hydro dạng khí, sau đó là sự tích tụ oxy tự do trong khí quyển. Ban đầu oxy có trong bầu không khí với số lượng nhỏ khoảng 50 triệu năm trước khi bắt đầu sự kiện Thảm họa oxy hay "sự kiện oxy hóa lớn" (GOE, Great Oxygenation Event), sự kiện đã tiêu diệt các sinh vật yếm khí [4].

Với bối cảnh mức độ các sinh vật quang hợp sản sinh oxy chính hiện tại, lượng oxy hiện nay có thể được sản xuất trong vòng 2.000 năm [5]. Khi chưa có thực vật, thì tốc độ sản sinh oxy bằng quang hợp diễn ra chậm hơn nhiều, trong thời kỳ tiền Cambri, và nồng độ của O2 đạt được ít hơn 10% của ngày nay. ồng độ và có thể thay đổi nhanh chóng. Oxy thậm chí có thể đã biến mất khỏi bầu không khí một lần nữa vào khoảng 1,9 Ga trước đây [6]. Ban đầu dường như những biến động về nồng độ oxy ít ảnh hưởng trực tiếp đến sự sống, nên không quan sát thấy tuyệt chủng hàng loạt, cho đến khi sự sống phức tạp xuất hiện vào thời kỳ đầu của kỷ Cambri, 541 Ma trước đây [7].

Sự hiện diện của O2 cung cấp cho sự sống những cơ hội mới. Chuyển hóa hiếu khí là hiệu quả hơn so với chuyển hóa yếm khí, và sự hiện diện của oxy chắc chắn tạo ra khả năng mới cho cuộc sống để tiến hóa. Kể từ khi bắt đầu kỷ Cambri, nồng độ oxy trong khí quyển đã dao động giữa 15% và 35% khí quyển [8]. Mức tối đa 35% đã đạt được vào cuối kỷ Carbon (khoảng 300 Ma BP), một đỉnh cao mà nó có thể đã góp phần vào tiến hóa đến kích thước lớn của côn trùng và động vật lưỡng cư thời đó.

Ngày nay các hoạt động của con người trong việc đốt các nhiên liệu hóa thạch hay thực vật, làm tăng nồng độ tương đối của CO2 trong khí quyển và tạo ra hiệu ứng nhà kính, nhưng ảnh hưởng tới nồng độ oxy là ít có ý nghĩa vì nồng độ này lớn [9].